三相智能电表设计开题报告

山 东 科 技 大 学

本科毕业设计（论文）开题报告

题 目 外加互感器的三相智能电表设计

学 院 名 称 机械电子工程学院 专业班级 测控技术与仪器2007级1班 学生姓名 李佐可 学 号 200701041210 指 导 教 师 魏绍亮

填表时间： 2011年 3月 20日

设计（论文） 题目 设计（论文） 类型（划“√”） 外加互感器的三相智能电表设计 工程设计 √ 应用研究 开发研究 基础研究 其它 一、 本课题的研究目的和意义 伴随着我国工业化进程的前进步伐，工业及居民用电急剧增加，庞大的供 电网络给用电管理单位带来了巨大挑战，也给居民工厂带来了诸多不便。为此 我国在“十二五规划”中提出建设“智能电网”的解决方案，实现电网、计算 机网、电信网三网融合。传统的机械式电表及电子式电表无论是在计量精度还 是在信息传递方面都难以满足“智能电网”的需求，在这种情况下智能电表应运 而生。智能电表是指具有多功能、智能化、网络化等功能的新式电表，是智能电 网的基本设备之一，承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务。 国内智能电表即将大规模应用，据预计国家电网将在2015年前使智能电表覆盖率将超过80%，居民用户超过1.4 亿户，2020年全国智能电表的覆盖率将达到100%。由此可见对智能电表的研究有着巨大的现实意义和可观的市场前景。 首先，智能电表能够更精确、更快速的完成对电能的计量任务，并且在控制中心就可以完成每一户用电量的采集、处理，节省了管理单位的人力、物力资源。而且电表可以通过加密防止用户窃电，安全性更高。其次，课题研究的智能电表能够让居民可以方便的完成电量缴费，并及时提醒所剩电量。用户对用电量更加清晰明了。最后，课题研究的智能电表是国家智能电网建设的基础设备，其先进性为我国工业化、现代化的实现提供了技术支持，其便利性提高了我人民生活整体水平。 科学技术是第一生产力，它的发展必然导致新事物淘汰旧事物。每一位科技工作者都有义务钻研各种新技术、新原理，为推动社会进步贡献自己的力量。智能电表的研究目同样是为了给人们生活带来便捷，为科技文明增砖添瓦。 二、 本课题的主要研究内容 本课题主要对能精确测量电能并具有智能管理功能的电表的设计方法进行研究。研究的具体内容如下。 1、实现智能电表精确测量，达到1级精度要求的具体方法。此处涉及到电量计量芯片的选择、CPU的选择、软件算法的构架、PCB布局等影响测量精度因素的研究。 2、 实现电表智能化管理的具体方法。涉及到的研究内容有：数据存储的实现方法、键盘显示的实现、系统通过RS485与上位机通信实现方法、系统通过红外与其他设备通讯的实现方法。 3、 实现系统供电电源设计的具体方法。此处涉及到交流电源转直流稳压电源的研究。 三、 文献综述 1、整体发展情况综述 智能电表是智能电网的智能终端，它已经不是传统意义上的电能表，智能电表除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用它还具有双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能，智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。随着智能电网的日益发展，世界各国对于智能化用户终端的需求也日益增大，据统计，在未来5年，随着智能电网在世界各国的建设，智能电表在全球安装的数量将高达2亿只。同样，在中国，随着国家坚强智能电网建设的进展，作为用户端的智能电表的需求也会大幅度地增长，保守的预计，市场将会有1.7亿只左右的需求。美国政府为升级本国电网的拨款中，就有一部分专门用于在未来3年致使13%的美国家庭(1800万户家庭)能装上智能电表。在欧洲，意大利及瑞典已经完成先进计量基础设施的部署，将所有普通电表更换为智能电表。法国、西班牙、德国和英国预计在未来10年内完成也将完成智能电表的全面推广和应用。 2、国外研究情况 1）、美国ADI公司 美国模拟器件公司ADI（Analog Devices Inc.）是国际著名的IC设计公司， 公司在高性能模拟集成电路（IC）、数字信号处理器（DSP）和微电子机械系统（MEMS）技术领域居于业界领先地位，其产品在整个IC行业占据了非常大的份额，他们的研究方向代表了IC设计的发展方向。2009年12月，美国ADI公司宣布推出四款高精 度电能计量IC，型号为ADE7878、ADE7868、ADE7858及ADE7854，可用于提高商业、工业及住宅智能电表的精度和性能。四款产品的进度达到0.1%，可同时测量无功和有功功率。此外，其中一款产品还具备基波电能测量功能，这对电能 质量监测而言至关重要。ADE7878、ADE7858及ADE7854高精度电能计量IC为多相配置而设计，包括三线及四线、Y型及Δ型。除了能测量每个相位和零线电能之 外，ADE7868及ADE7878还能监测电能质量参数，如SAG、峰值、周期、角度测量及相序等。另外，ADE7868和ADE7878具备各种防窃电功能。 2）、 美国飞思卡尔半导体公司美国的飞思卡尔半导体（Freescale Semicondu ctor,Inc.）是全球领先的半导体公司，为汽车、消费电子、工业控制和网络市场设计并制造嵌入式半导体产品。在全球拥有设计、研发、制造和销售机构。飞思卡尔利用在嵌入式领域的专业知识，在充分研究中国国网新标准有关单相电表设计要求的基础上，飞思卡尔推出了MZ系列8位微控制器（MCU）芯片，集成了60kB、96kB或128kB闪存，提供64引脚LQFP封装。MZ系列微控制器还 提供32位处理器芯片，集成256kB闪存。飞思卡尔根据中国国网新标专门推出的64引脚的单项电表用9S08MZ60、MZ96、MZ128MCU，三项电表用51MZ256等产品。 3）、欧洲恩智浦半导体公司 总部位于荷兰Eindhoven的世界前十大半导体公司——恩智浦半导体（NXP Semiconductors ) 以其领先的射频、模拟、电源管理、接口、安全和数字处理方面的专长。产品应用涉及汽车、智能识别、无线基础设施、照明、工业、移动、消费和计算等领域。根据智能电表发展蓝图，NXP推出了基于ARMCortex的MCU解决方案——LPC1700系列。LPC1700在智能电表系统中的应用主要包括三相(多 功能)表、单相复费率/多功能表和多功能终端。具体来看，LPC1700的主要特点有：具有100MHz处理速度的ARMCortex-M3控制器、嵌套向量中断处理器、内存保护单元、唤醒中断处理器，可以满足各种优先级中断的自动唤醒，四种省电模 式：睡眠、深度睡眠、掉电、深度掉电。NXP智能电表外围采用了优化设计，具有防窃电等多种功能，可使用非接触式读卡技术完成预付费。其智能MX安全解决方案中，可配有室内多计量表无线连接用ISM-band收发器，并有多种标准芯片可选，诸如SMPS（开关电源）芯片、低功耗实施时钟、显示驱动器、小信号分立器件和 标准逻辑器件等。 4）、德国西门子公司 西门子自动抄表信息系统（AMIS），ANIS利用ADI公司的Blackfin处理器。西门子公司选择了Blackfin汇聚式处理器，这是因为该处理器具备同时作为DSP和MCU进行无缝工作的能力，特别适合西门子AMIS的高处理和动态通信应用要求。lackfin处理器具备处理仪表级原始实时用电数据以及实现仪表和电网之间通信的能力，可提供一站式、低成本、易于配置的解决方案。由于供电公司的AMIS智能电表的部署范围不仅仅覆盖本地电网，因此西门子基于Blackfin的电表部件还能按本地或国家特有的不同通信标准方便地通过软件轻松升级。AMIS可以实现全电网范围的数据采集以及电力公司、电网和用户之间的通信。通过基于Blackfin处理器设计的智能电表器件，系统不仅可以测量各个家庭的用电情况，还可以扩展到从发电厂到用户的整个系统，AMIS对电网进行监控并将数据传送给控制站。系统采用电力线技术来传送数据，AMIS还可用无线电、互联网或本地交换 载波进行通讯。基于Blackfin的智能电表不仅能够满足目前的设计要求，而且还可以方便地实现下一代能量管理，为用户提供可选的用电额度应用作好了准备。 AMIS支持更多的新能源系统的采用，AMIS系统仪，可以控制从太阳能电池或者发电厂输送的电能。 3、国内研究应用情况 随着数字化技术在电能表中的应用，电能表的功能逐步得到扩充，一批多功能的电能表相继诞生。比如预付费电能表就是应用比较广泛的电能表之一。它通过预付费卡为电能表充值，然后按照当地的单位电价和用电量从预存费用中扣除，预存费被扣除为零时，电表将不为用户提供电能除非你再次充值。这种通过IC卡预付费的电能表也有称为“智能IC卡预付费电能表”的，但它还不是真正意义上的智能电表。除此之外，为了提高效率，减少上门抄表吃闭门羹的的尴尬，也开始有了一些具有红外抄表和异地抄表功能的电能表和防止窃电等扩充功能的多功能电能表问世。但这些多功能的电能表也还是电能表智能化的起步，与真正意义上的智能电表还有很大的差别。 在2007年12月初，国家发改委发布了《多功能电能表》和《多功能电能表通信协议》两个行业标准，标准编号分别为“DL/T 614-2007”和“DL/T645-2007”。此外还有国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布的《多功能电能表特殊要求》（GB/T 17215.301-2007）等国家标准。到2009年10月，国家电网公司公布了智能电表新标准，新标准对电表在计量、费控、通信、功耗、电子线路布线等技术指标要求均有了大幅提高，以前对于微控制器MCU（Micro Contr -oller Unit）附加功能由可选变成了必选项，要求有更高的计算能力DMIPS (Dhrystone Million Instructions Per Second)以满足智能电表的高性能要求;要求有更大的存储容量以满足复杂的数据处理需求；更多的输入输出I/O方式以应对与日益增多的外部设备的对接。 国内智能电表大规模应用即将启动，国家电网公司计划在2010年智能电网第一阶段的项目中大约有91 亿元用于智能电表、电表采集终端及后台系统建设。智能电表标准于近期已经下发，2009年11月国家电网公司已经启动了第一批智能电表招标，本次招标包含二 级单相远程费控智能电能表680 多万只，一级三相费控智能电能表26 万只，招标金额大约13 亿元。预计国网公司2015 年前将全面建成用电信息采集系统，居民用户信息采集得到大规模应用，智能电表覆盖率超过80%，用户超过1.4 亿户，2020 年智能电表的覆盖率将达到100%。 四、 拟解决的关键问题 1、实现三相电参量的测量 1）、电压信号的精确采集； 2）、电流信号的精确采集。 2、实现仪器的智能管理 1）、电参量数据的存储及掉电保护； 2）、人机交互界面的设计，包括键盘和显示； 3）、智能电表与上位机及其他设备通信的设计，通信方式包括485通信红外通信； 3、系统所需直流电源的设计 五、 研究思路和方法 根据设计题目要求，可知该系统具体设计分两部分：第一部分是三相电参数的测量；第二部分是智能管理部分。第一部分是本系统成功设计的基础和关键，要求该部分电路工作可靠，计量精度高，且能够完成三相电能的测量。第二部分是三相智能电度表“多功能化”的重要组成部分，通过这部分电路把第一部分测试的三相电参数进行存储、显示和远传；完成人机交互，方便用户或操作人员查询数据；还可以扩展三相智能电度表的其它功能要求，使其达到智能化。对第一部分电路设计的基本要求是可靠、简单，对第二部分电路设计的基本要求是智能化程度高，易于功能扩展。 根据上述研究思路，智能电表系统的实现方案如下：AT89S52 (CPU)+ATT7030 (电量采集IC)+X5045（FLASH存储器）+MAX7219 (LED显示IC)+独立式键盘+75LBC184（485通信IC）+红外调制三极管+MC7805(DC稳压电源IC)。 六、 本课题的进度安排 1、2011年2月28日 毕业实习与毕业设计动员会； 2、2011年3月1日~3月13日 根据毕业设计题目，实际调研，收集资料，完成设计方案论证； 3、2011年3月14日~3月20日 参加与所选择设计题目相关的毕业实习； 4、2011年3月21日~3月25日 根据实习情况书写实习报告并提交； 5、2011年3月26日~4月8日 书写设计开题报告、英文翻译并提交； 6、2011年4月9日~5月20日 针对设计题目完成硬件设计、软件设计，实验调试； 7、2011年5月21日~6月5日 完成毕业论文文稿撰写及图纸绘制； 8、2011年6月6日~6月12日 完成论文审稿及修改； 9、2011年6月13日~6月17日 参加毕业论文答辩，评定成绩。 七、 参考文献 [1] 李华．MCS-51系列单片机实用接口技术．北京：航空航天大学出版社，1988，8，12~45 [2] 公茂法．电子式智能多用户电能表，电子产品维修与制作．机械电子工业出版社，北京，1998，6, 23~32 [3] 周铁峰 杨建新．Visual Basic 6.0实用编程技术．北京：中国水利水电出版社1999, 3,34~56 [5] 蒋伟光 郝磊．X5045电路及其应用．国外电子元器件，2002，5（5）：48~55 [6] 李保伟．智能电表简介．新技术新产品，2010,3（3）：70~73 [7] 李刚 林凌．8位串口LED显示器 MAX7219．仪表仪器与检测．1997，3（3）：25~29 [8] Hitrendtech． ATT7030A User Manual．2009，8：1~16 [9] Maxim．Serially Interfaced, 8-Digit LED Display Drivers．1996．9：1~16 指导教师意见 指导教师（签名）： 年 月 日 所在系（所）意见 负责人（签章）： 年 月 日